农牧交错区不同土地利用类型土壤颗粒组成和有机质特征

2022-02-06杨圃畅蒙仲举党晓宏李浩年张晓伟

安徽农业科学 2022年24期

杨圃畅，蒙仲举，党晓宏，李浩年，张晓伟，李新

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010018；2.毛乌素沙地生态发展有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017300)

内蒙古阴山北麓农牧交错区是我国北方农牧交错带的重要组成部分[1]，也是生态环境最为脆弱的地区之一，该区地处蒙古高压的前缘地带，风力作用强烈，风蚀沙化、水土流失现象严重[2]。同时，加之频繁的人类活动，进一步增加了土壤潜在可蚀性[3]，如农田地不合理耕作、放牧极其不节制，造成大量土壤表层遭到严重的破坏、植被覆盖度下降、土壤砾质化严重、土地生产力骤减等一系列问题，给当地农牧业发展和生态环境构成严重的威胁[4]。

土壤颗粒组成是土壤最基本的物理性质，它影响着水力特性、肥力状况和土壤侵蚀，不同粒级土壤含量构成了不同的土地类型，从而影响土壤的物理、化学及其生物学特征。土壤颗粒也是反映土壤质量的重要指标，关于土壤质量的研究学者从许多方面进行了报道，如刘畅等[5]通过土壤入渗特征、土壤化学性质反映了黄土高原退耕还林后不同植被类型的土壤质量；赵娜等[6]通过土壤微生物、生物量碳和氮等角度反映了华北底丘山地不同耕地年限刺槐人工林的土壤质量；周瑶等[7]通过酶活性、微生物、土壤养分反映了不同生态恢复下宁夏黄土丘陵典型草原土壤质量。有研究表明，土壤粒径和有机质含量也是反映土地质量特征的重要指标[8]。

截至目前，针对阴山北麓土地利用的研究国内学者从不同角度进行思考，并取得了大量的成果，但运用分形理论对阴山北麓不同土地利用类型的土壤粒径研究报道较少。基于此，该研究以内蒙古阴山北麓农牧交错区4种不同利用类型土地为研究对象，探讨不同土地利用类型下土壤颗粒的机械组成、分形维数和土壤有机质的特征关系，揭示阴山北麓农牧交错区不同利用类型土壤质量的演变规律，以期为该区不同类型土壤的保护及其利用提供理论依据和科学支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况该研究区位于内蒙古阴山北麓中段的武川县，试验样点选在武川县东房子村，地理位置为40°47′～41°23′N、110°31′～111°53′E[9]。属于典型的中温带大陆性季风气候，年平均气温3 ℃，无霜期为124 d左右，年降水量354 mm 左右。该区域为农牧交错带的典型代表地区，主要以栗钙土和棕钙土为主，这类土壤具有多孔隙、沙性、土壤肥力低、有机质含量少的特征，同时该地区降水稀少，气候干燥，植被覆盖低，所以该地区土壤结构较差，导致土壤退化严重[10]。

1.2 样地布设与样品采集该试验于2020年4月进行，经实地调查以及结合当地实际情况，选取该地区新开垦农田、天然草地、旱作农田、弃耕地4种均匀平整的样地，据调查弃耕地的弃耕年限为2年，新开垦农田开垦年限为1年。选取样地中心位置，每个样地取3个重复，取样分别在4个样地上用分层器分8层，每层深度为10 cm。将待测土样带回实验室，用105 ℃温度进行烘干，24 h后将待测土样拿出，用土壤筛筛去直径大于3.50 mm的粗颗粒和植物根系等物质。均匀取筛选后的土样5 g置于50 mL盛有蒸馏水的小烧杯中，用移液枪加入浓度为10%的H2O2溶液10 mL，加热后冷却4～6 h；再将浓度为10%的HCl溶液10 mL置于小烧杯中进行加热，冷却后将溶液中上层杂质去除。之后采用英国Malvem公司生产的Mastersiaer 3000激光粒度仪测定土壤粒径分布。依据美国制土壤粒径分级标准[11]，将土壤样品按粒径划分为黏粒(<2 μm)、粉粒(2～50 μm)、极细砂(>50～100 μm)、细砂(>100～250 μm)、中砂(>250～500 μm)、粗砂(>500～1 000 μm)和极粗砂(>1 000～2 000 μm)。

1.3 土壤颗粒分形维数计算土壤颗粒分形维数计算参考杨培岭等[12-14]土壤分形模型：

1.4 数据处理采用SPSS 26.0和Excel 2007软件对试验数据进行统计分析，用origin 2018对土壤颗粒分形维数、土壤有机质含量和土壤颗粒含量的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同利用类型表层土壤颗粒分形特征通过对土壤颗粒的体积百分含量计算可知(表1)，4种不同类型的土地主要以粉粒(2～50 μm)和极细砂(>50～100 μm)为主，黏粒(<2 μm)的百分含量偏低。4种类型土地中，天然草地黏粒含量最高，为0.248%，其他3种类型土地的黏粒百分含量在0.183%～0.195%，含量相差较小；粉粒百分含量从高到低依次为天然草地>新开垦农田>旱作农田>弃耕地；极细砂百分含量最高的是旱作农田，含量最低的是天然草地；此外弃耕地中细砂、中砂、粗砂、极粗砂含量均比其他3种类型土壤含量高。

表1 不同土地利用类型表层土壤颗粒的百分含量Table 1 The percentage content of surface soil particles in different land use types %

2.2 土壤分形维数的垂直分布特征应用回归分析法计算得到4种利用类型土地不同深度分形维数，从表2可以看出，不同土层深度对土壤的分形维数产生一定的影响，在0～80 cm土层深度，4种不同利用类型土壤分形维数以天然草地40～50 cm处有最大值，为2.336，以弃耕地60～70 cm处有最小值，为2.044。在垂直结构上，土壤颗粒分形维数在土层深度0～50 cm整体上呈不同程度上升趋势，变幅分别为新开垦农田(0.070)、天然草地(0.083)、旱作农田(0.126)、弃耕地(0.056)。在0～80 cm土壤平均分形维数依次表现为弃耕地(2.186)<新开垦农田(2.230)<旱作农田(2.257)<天然草地(2.290)。

表2 4种利用方式下不同深度土壤分形维数Table 2 Fractal dimension of soil at different depth under four utilization modes

2.3 分形维数与机械组成的关系由土壤分形维数的计算得出，土壤分形维数与土壤各粒级组分存在一定的相关关系。为探寻确定二者之间的关系，分别对土壤分形维数与黏粒、粉粒、极细砂、细砂、中砂、粗砂、极粗砂的百分含量进行相关性分析，得出7种土壤颗粒分形维数与颗粒百分含量之间的关系(图1)。从图1可以看出，黏粒、粉粒的百分含量与分形维数呈显著正相关，其中，分形维数与黏粒百分含量决定系数(R2)最大(0.930 7)，表明黏粒的百分含量与土壤分形维数的相关性最强；与粉粒百分含量相关性不强；而极细砂、细砂、中砂、粗砂、极粗砂百分含量与分形维数无对数函数关系。说明黏粒和粉粒百分含量随土壤颗粒分形维数增加而增大。

图1 分形维数与土壤颗粒含量关系Fig.1 Relationship between fractal dimension and soil particle content

2.4 土壤有机质特征从4种不同利用类型土壤的有机质含量和土层深度的关系(图2)可以看出，在土层0～10 cm，4种不同利用土地类型的有机质含量达到最高，分别为新开农田38.11 g/kg、天然草地38.17 g/kg、旱作农田29.35 g/kg和弃耕地23.93 g/kg。弃耕地、天然草地、新开垦农田3种不同利用土壤类型的有机质含量均在20～30 cm处有机质含量最低，分别为6.38、4.56、3.97 g/kg；而旱作农田在60～70 cm处有机质含量最低。4种类型土壤均在土层深度0～30 cm处有机质含量骤减，而在土层深度30 cm之后有机质含量随深度的增加有小范围的波动。各土地类型土壤的分形维数与有机质含量的线性拟合(图3)表明，4种类型土壤的分形维数与有机质含量均呈负相关，其中新开垦农田的决定系数(R2)最大(0.879)，表明新开垦农田分形维数与有机质含量相关性最强；而弃耕地的决定系数最小(0.010)，表明弃耕地分形维数与有机质含量相关性最弱。

图2 4种不同利用类型土壤有机质与深度的关系Fig.2 Relationship between soil organic matter and depth of four different utilization types

3 讨论

土壤颗粒的分形维数与土壤质地、化学物理的分化作用、土地利用方式等都对土壤的结构性状和稳定性具有一定影响[16-18]。通过土壤颗粒的百分含量与土壤分形维数进行相关性分析和回归分析得出，该地区分形维数与黏粘、粉粒的百分含量均呈正相关，与其余粒级不相关。这表明分形维数随黏粒和粉粒百分含量的增加而增大；这一研究结果与较多研究土壤分形维数与土壤颗粒百分含量关系的结果相符合[19-20]。根据土壤分形维数与粒级百分含量拟合得出，分形维数在4种不同利用类型土壤对数函数拟合分析方程的R2为0.379 6～0.930 7，表明分形维数拟合效果能反映土壤黏粒和粉粒的分布情况。

图3 4种利用方式下土壤分形维数与有机质含量的关系Fig.3 Relationship between soil fractal dimension and organic matter content under four utilization modes

4种不同利用类型的土地中，随土层0～50 cm深度的增加分形维数存在不同程度的变化，但总体上分形维数呈上升趋势，主要原因是土地利用方式大不相同，弃耕地由于土地利用时间较长或正处在恢复阶段，经自然人为因素的影响，土地粗颗粒逐渐增多，土壤表层0～10 cm粗颗粒化较严重，所以分形维数较小；而天然草地由于植被的覆盖，使得土壤表层细颗粒的物质逐渐增加，分形维数较大。

一般来讲，土壤颗粒分形维数越高，土壤结构越紧实，土壤质地细颗粒物质越多，通透性越差；分形维数越低，则土壤结构相对松散通透性好[21]。土壤有机质也是土壤质量评价的指标之一，不仅能反映土壤的肥力状况，而且是评价土地利用方式优劣的主要参数[8]。该研究表明4种不同利用类型土壤表层0～10 cm处有机质含量均达到最高，天然草地和新开垦农田经细粒物质作用较大，土壤表层细颗粒较多，土壤中的细粒物质有利于土壤有机质的存留，使得表层土壤有机质含量较高，随深度的增加有机质含量呈下降趋势[22]，由于该地区钙积层集中分布在20～30 cm处，导致有机质含量较低。